工業4.0 背景下物料搬運系統的設計與優化策略

劉生承 馬 超 陳京宇

1 中工國際工程股份有限公司 北京 100080 2 北京起重運輸機械設計研究院有限公司 北京 100007

0 引言

面對飽和、多樣性、個性化的市場需求，工業4.0下的物流要求以更靈活、更低廉的成本運營公司的物流網絡。在此背景下，從物流管理體系到物流裝備，提高智能性和柔性成為未來發展的趨勢。工業4.0 時代的核心技術（如物聯網、云計算、大數據和人工智能等）為物料搬運系統的設計與優化提供了前所未有的可能性，既能提高物料搬運系統的效率和準確性，還有助于實現更高程度的自動化和智能化。物聯網技術在物料搬運系統中的應用可使設備和系統之間實現實時數據交流和信息共享；云計算與大數據技術的應用可實現物料搬運系統的數據存儲、處理和分析；人工智能與優化算法在物料搬運系統中的應用則體現在設備故障預測、動態調度和路徑規劃等方面。

本文通過具體案例分析探討工業4.0 技術在實際物料搬運系統中的應用效果，總結成功實踐的關鍵因素與挑戰。這些案例將提供一定的借鑒和啟示，以便在實際應用中取得更好的效果。

1 工業4.0 的概念與特點

1.1 定義及發展背景

工業4.0 是繼蒸汽機、電力和自動化之后的第4 次工業革命，它主要涉及到物聯網、云計算、大數據、人工智能等先進技術的融合與應用。工業4.0 旨在實現智能化、高度集成和自主化的生產方式，從而提高生產效率、降低成本、提升產品質量和滿足客戶需求。工業4.0的發展背景源于全球制造業競爭的加劇，以及新興技術對生產方式和商業模式的深刻影響。

1.2 核心技術與應用

工業4.0 的核心技術主要包括物聯網與通信技術、云計算與大數據和人工智能與機器學習等。

1）物聯網與通信技術

物聯網是工業4.0 的基礎，它通過各種傳感器和通信設備將物理世界與虛擬世界相互連接。物聯網技術可以實現實時數據采集、傳輸和處理，為生產過程中的設備、產品和系統提供智能化支持。通信技術負責在物聯網中傳輸數據和信息，包括有線和無線通信技術，如Wi-Fi、藍牙、5G 等。

2）云計算與大數據

云計算是一種通過網絡提供計算資源、存儲空間和應用服務的技術。在工業4.0 背景下，云計算可以實現企業數據的集中存儲和處理，以及軟件和服務的遠程訪問。大數據技術涉及對海量數據的采集、存儲、分析和應用，可幫助企業發現生產過程中的潛在問題、優化資源配置和提高決策效率。

3）人工智能與機器學習

人工智能是一種模擬和擴展人類智能的技術，包括計算機視覺、自然語言處理、知識表示和推理等。在工業4.0 背景下，人工智能可以實現設備和系統的自主決策、學習和優化。機器學習是人工智能的一個重要分支，它通過數據驅動的方式訓練模型和算法，從而完成對數據的預測、分類和聚類等任務。

1.3 對物料搬運系統的影響

在工業4.0 時代，物料搬運系統將會受到多方面的影響，主要表現在提高生產效率與靈活性、實現智能化與自主化、提升產品質量與客戶滿意度、促進企業創新與協同等方面。

1）提高生產效率與靈活性

通過運用物聯網、云計算、大數據和人工智能等技術，物料搬運系統能夠更準確地獲取實時數據，從而實現對生產過程的實時監控與控制，有助于優化物料搬運系統的調度和路徑規劃，降低設備故障率，提高生產效率和靈活性。

2）實現智能化與自主化

工業4.0 技術可以使物料搬運系統具備更強的智能化和自主化能力。例如，通過應用人工智能和機器學習算法，物料搬運系統可以自動識別和處理異常情況，進行自我診斷與維護，從而減少人工干預和維護成本。

3）提升產品質量與客戶滿意度

借助工業4.0 技術，物料搬運系統可以實現對生產過程中的各環節進行實時監控和分析，從而確保產品質量的穩定性和可靠性。同時，通過對客戶需求和市場變化的敏感把握，物料搬運系統能夠更快地響應客戶的需求，提供個性化和定制化的服務，從而提升客戶滿意度。

4）促進企業創新與協同

工業4.0 技術的應用有助于打破企業內部的信息壁壘，實現數據和知識的共享與協同；有助于企業加快技術創新、產品開發和市場推廣的速度，提高企業的競爭力。同時，工業4.0 技術還可促進企業與供應商、客戶和合作伙伴之間的協同創新，實現產業鏈的整體優化和升級。

綜上所述，為應對以上多方面變化，企業需要充分運用工業4.0 技術優化物料搬運系統的設計與運行，實現智能化、高效化和可持續化的發展。

2 物料搬運系統設計與優化策略

在工業4.0 背景下，物料搬運系統的設計與優化應遵循一定原則和方法，以實現智能化、高效化和可持續化的發展。

2.1 物料搬運系統設計原則

1）系統性與集成性

物料搬運系統應充分考慮系統內各環節之間的關聯和互動，實現各環節的協同與集成。因此，在設計過程中要運用系統工程方法，以確保物料搬運系統能與生產線、倉儲等系統高度集成，形成一個高效且協調的生產體系。

2）靈活性與可擴展性

物料搬運系統的設計應具有一定的靈活性和可擴展性，以適應生產需求的變化和技術的更新。物料搬運系統應能在不同生產環境和任務下快速調整和重新配置，以滿足生產需求的變化。此外，物料搬運系統的設計還應考慮未來技術和設備的升級，以便在技術更新時能夠順利實施擴展和改進。

3）可靠性與安全性

物料搬運系統的設計應確保系統的可靠性和安全性。在設計過程中，應充分考慮潛在的故障、異常和風險等因素，采取有效措施進行預防和應對。此外，物料搬運系統還應符合相關的安全標準和法規，以保障設備、人員和環境的安全。

2.2 物料搬運系統優化方法

在工業4.0 背景下，物料搬運系統的優化主要涉及數據驅動優化方法、智能調度與路徑規劃、物聯網（IoT）與實時監控、虛擬仿真與數字孿生技術、智慧供應鏈云平臺與區塊鏈技術、協作機器人與人機協同系統、生物群智能與擬人機器人技術等內容。

1）數據驅動優化方法

數據驅動優化方法主要是利用從物料搬運系統實時采集的數據指導優化過程，通過對數據的分析發現物料搬運系統中的潛在問題、改進空間和優化機會，具體優化方法包括數據挖掘、機器學習、優化算法等。

2）智能調度與路徑規劃

智能調度與路徑規劃方法主要關注如何根據生產需求和資源狀況對物料搬運任務進行有效的調度和路徑規劃，從而提高物料搬運系統的效率和靈活性。借助于現代計算技術可以開發如遺傳算法、蟻群算法等的智能算法，為物料搬運任務找到最優解。

3）物聯網（IoT）與實時監控

物聯網技術可以實現物料搬運系統內設備和傳感器的實時數據收集與通信，利用物聯網技術實時監控物料搬運設備的運行狀態、能源消耗、故障診斷等，從而實現系統的遠程管理和實時優化。此外，實時監控還有助于提高系統的可靠性和安全性，降低故障風險。

4）虛擬仿真與數字孿生技術

虛擬仿真技術可對搬運系統進行全生命周期管理，掌握實時/準實時數據，將虛擬和現實進行雙向數據傳遞。數字孿生技術可在物料搬運系統運行過程中實時模擬實際設備和流程，為優化決策提供數據支持。在方案設計階段，數字孿生會對布局進行BIM 建模，通過對各節點進行數學建模而形成可靠的產品數字模型，并輸入未來可能的情況進行仿真測試和驗證。在生產運營階段，模擬方案和設備的運轉，為達到全局方案最優對產品數字模型進行參數整，以便更好地適應生產。在保養維護階段，將物聯網設備采集到的大量數據進行智能分析，數字模型將準確預測維護工作的最佳時間點與維修方案，為維修方案提供參考。

5）智慧供應鏈云平臺與區塊鏈技術

開放透明的智慧供應鏈云平臺可以為實體經濟提供保障。在數字經濟時代，全球供應鏈自動的數字交易將成為主流方式，隨著世界格局的轉變，去中心化、透明開放的供應鏈體系或將形成，全球供應鏈下的各參與者之間自動的交易或交易的自主化都需要區塊鏈技術的支持；數據的安全、數據主權的保證靠區塊鏈技術實現。

6）協作機器人與人機協同系統

傳統機器人沒有感知系統，其人機交互是相互割裂的；未來的協同機器人具有很強的感知能力，能感知其與人之間的配合，能夠達到人機協同，未來的技術發展會出現人與機器、人與機器人的協同作業，甚至人形機器人的應用也會越來越普遍。

7）生物群智能與擬人機器人技術

隨著企業大規模應用機器人，機器人自身的靈活搬運與機器人群之間的高效配合成為機器人群使用效率的關鍵。機器人自身選擇最短路徑、抓取工具的動作像人一樣靈活、機器人群如生物群的方式溝通以達到全局最優，這些技術對未來實現高柔性的物流服務、物流技術的社會化會起到很大的推動作用。

3 工業4.0 技術實際應用案例

近年來，受土地資源、勞動力資源等條件的限制，以及下游客戶需求的變化，石化固態產品的物流需求有所變化，固態產品倉儲物流由以平面庫為核心的人工作業模式向以自動化立體倉庫為核心的智能倉儲物流加速轉變，石化企業倉儲物流升級發展進入快車道。石化企業傳統的物流管理運營模式越來越難以滿足客戶對時效、安全、環保與健康的要求，將工業4.0 背景下的物聯網、大數據、云計算等IT 新技術與煉化生產、經營、智能倉儲、物料搬運、物流包裝等環節有機結合，在自動化立體倉庫中應用堆垛機、環形穿梭車、托盤輸送機系統、機器人、自動導引車（AGV）、倉庫管理系統（Warehouse Management System，WMS）、園區車輛調度系統（Transportation Management System，TMS）等技術實現并不斷提高石化物流倉儲的自動化、信息化和系統化水平，打造新時代下的智慧石化物流倉儲系統，已成為石化物流倉儲升級發展的大趨勢。

國內某石化企業建成于2012 年，初期的聚烯烴產品生產規模為100 萬t/a，配套建設有1.5 萬t PP 產品平面庫1 套，2 萬t PE 產品平面庫1 套，2 套庫房總面積約80 000 m2，總庫容為3.5 萬t。隨著企業及業績規模的不斷擴大，當前的生產及倉儲能力不能滿足企業快速增長的需要，故該企業于2021 年5 月決定進行擴能改造。新增聚烯烴產品生產規模60 萬t/a，配套有2.7萬t PP+PE 產品立體庫1 套，立體庫房總面積約10 000 m2，采用智能化管理控制，集自動入庫、智能化儲存管理和自動化出庫于一體。

如圖1 所示，該智能倉儲物流系統主要包括堆垛機、立體庫貨架、托盤輸送系統、環穿系統、WMS系統、倉庫控制系統（Warehouse Control System，WCS）、TMS 系統、無線電射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）標簽系統、輔助設施及電氣設備等，可實現包裝、入庫、儲存、出庫發貨等全流程的自動化。通過WMS 與上位系統進行對接并下發任務指令至WCS，配套的TMS 和電氣控制系統完成智能化存儲和搬運作業。該項目共設計規劃采用進口堆垛機18 臺、進口環形穿梭車30 臺、貨架系統（貨位數18 576 個，儲存27 864 t）、托盤輸送系統、控制系統、計算機系統等，立體庫設備投資總額約8 500 萬元。

圖1 智能倉儲物流系統現場

相對于傳統的以人為核心的倉儲作業模式，運用工業4.0 相關技術規劃建造的自動化立體倉庫系統具有以下優勢：

1）占地面積小，庫存量大

該企業原平庫占地面積約為80 000 m2，庫存量約為3.5 萬t，新建立體倉庫占地面積為10 000 m2，庫存量為2.7 萬t，相當于平面庫1/8 的面積，達到了近3/4的庫容，在同等面積下庫容量為原倉庫的6 倍。

2）節省人工和叉車數量

該企業立體庫中作業人員人數與原平面庫相比，從原來的159 人減少到59 人。主要減少的是庫房管理員、叉車駕駛員和叉車數量及裝車搬運工，大幅降低了人力成本，提升了企業效益。

3）提高收發貨作業效率

自動化立體倉庫設備在正常運行狀態下，每車收發貨作業時間需15 ～20 min，而原平面庫每車作業時間則需40 ～50 min。相對于平面庫，自動化立體倉庫的作業效率提高了60%以上。

通過以上案例可以看出，工業4.0 技術在物流倉儲領域物料搬運系統優化中的實際應用為企業帶來了顯著的效益。借助這些先進技術，企業可以實現物料搬運過程的高度智能化、高效化和可持續化，從而提高整個生產體系的運行效率，降低成本，提升企業競爭力。

4 結論與展望

本文針對工業4.0 背景下的物料搬運系統設計與優化策略進行了綜述，總結了相關設計原則、優化方法，并通過實際應用案例分析了工業4.0 技術在物料搬運系統優化中的具體應用。未來的物料搬運系統將在以下方面取得更大發展：

1）人工智能與機器學習技術將在物料搬運系統優化中發揮更大的作用。通過引入深度學習、強化學習等先進算法，物料搬運系統可以實現更高水平的自主決策與自適應調整，提高系統的智能化水平。

2）物聯網技術與邊緣計算將進一步提升物料搬運系統的實時監控與優化能力。通過在設備端部署智能算法，物料搬運系統可以實現更快速、低延遲的數據處理與決策，提高系統的響應速度與效率。

3）數字孿生技術將在物料搬運系統優化中發揮更重要的作用。通過構建與實際設備和流程高度一致的數字模型，物料搬運系統可以實現更準確的預測與優化，降低系統的運行風險。

4）新型物料搬運設備與技術將不斷涌現。隨著科學技術的進步，未來可能出現更多具有創新性能和功能的物料搬運設備，如無人機搬運、量子通信物流等，為物料搬運系統優化帶來更多可能性。

5 面臨的挑戰與應對措施

1）數據安全與隱私保護

隨著物聯網技術和大數據應用的普及，物料搬運系統中產生和傳輸的數據量呈現爆炸式增長，這些數據中可能包含如生產計劃、庫存狀況等企業敏感信息，故保障數據安全與隱私成為一項重要挑戰。企業應加強數據加密、訪問控制等技術手段，確保數據安全傳輸和存儲；建立嚴格的數據管理制度，對數據訪問和使用進行有效監管。

2）技術更新與人才培養

工業4.0 技術在物料搬運系統的應用不斷演變，企業需要不斷更新設備和技術以保持競爭力。在此過程中，企業應關注新技術的研究與開發，并及時跟進市場變化。此外，企業應加強人才培養，提高員工對新技術的認知和應用能力，通過培訓、招聘等方式建立一支具備豐富技術知識和實踐經驗的團隊，以應對技術更新帶來的挑戰。

3）投資成本與回報

引入工業4.0 技術進行物料搬運系統優化往往需要較高的投資成本，企業需要在技術引入和投資回報之間進行權衡。在決策過程中，企業應充分考慮設備更新、技術維護、人力成本等因素，以確保投資的合理性和有效性。此外，企業還可通過政府補貼、銀行貸款等渠道降低投資壓力，提高投資回報。

4）標準化與互操作性

工業4.0 背景下的物料搬運系統涉及眾多設備、技術和平臺。在實際應用過程中，不同廠商與系統之間的標準化和互操作性極具挑戰。企業應關注行業標準的制定與推廣，并積極參與標準化組織的活動。同時，企業還應加強與供應商、合作伙伴的溝通和合作，建立統一的物料搬運系統平臺和協議，以實現設備和系統的互聯互通。

6 結語

物料搬運系統是現代工業生產中的重要組成部分，其設計與優化對生產效率、產品質量和運營成本等有至關重要的影響。隨著工業4.0 技術的不斷發展，物料搬運系統的設計與優化策略隨之發生深刻變化。本文從工業4.0 背景下的物料搬運系統設計與優化角度出發，總結了相關設計原則和優化方法，并通過實際案例展示了工業4.0 技術在物料搬運系統中的應用。未來，物料搬運系統將繼續朝著智能化、高效化和可持續化方向發展，為企業創造更多的價值。